株式會社東芝（以下稱“東芝”）日前宣布成功開發(fā)出三柵極IGBT*1，該三柵極IGBT最多可使開關轉換時的功率損耗（以下簡稱“開關損耗”）整體降低40.5%。
IGBT中的功率損耗存在一種此消彼長的關系，即：當降低IGBT導通狀態(tài)下的功率損耗（以下簡稱“導通損耗”）時，開關損耗便會增加，因此東芝在這方面進行了改善。東芝采用具有三個柵電極的新結構硅IGBT和可高精度開關柵電極的柵極控制技術，與僅有一個柵電極的傳統(tǒng)IGBT相比，成功實現(xiàn)了在不增加導通損耗的情況下，大幅降低開關損耗，使開通損耗*2和關斷損耗*3分別降低50%和28%（最多可降低40.5%的整體損耗）。通過降低功率半導體的功率損耗來提高能源利用效率，這被認為是實現(xiàn)碳中和的關鍵手段，其中IGBT是目前廣泛應用的主要功率半導體，人們對進一步減少其功率損耗的期望越來越高。該技術有望提高各類電氣設備的電力轉換器效率，可廣泛應用于可再生能源系統(tǒng)、電動汽車、鐵路和工業(yè)設備等領域。
東芝于5月30日至6月2日在線召開的功率半導體國際學術會議“ISPSD2021”上公布了技術細節(jié)。
開發(fā)背景
控制電力的功率半導體被廣泛應用于“發(fā)電”、“輸送”、“儲存”和“優(yōu)化使用”等各類場景，在確保穩(wěn)定的電力供應、節(jié)能和節(jié)電中發(fā)揮了不可或缺的作用。近年來，在“全球碳中和”背景下，電動汽車不斷普及，采用可再生能源進行發(fā)電的比重不斷增加，功率半導體的市場份額也隨之不斷擴大。
同時，為了通過降低功率損耗（功率轉換時所產(chǎn)生的功率損耗）來實現(xiàn)更高的效率，需要進一步提升功率半導體的性能。其中，高耐壓的功率半導體IGBT被廣泛應用于電氣設備的功率轉換器上，因此，從提高能源利用效率的角度來看，降低IGBT的功率損耗將為實現(xiàn)碳中和做出巨大貢獻。
IGBT可以通過增加元件中電子和空穴的蓄積量來降低導通損耗，但同時開關損耗也隨之增加。在過去的30年里，針對采用硅材料的傳統(tǒng)IGBT，技術人員主要通過改進元件結構來改善導通損耗和開關損耗，但近年來，其性能改善趨于極限，成為行業(yè)一大難題。
本技術的特征
因此，東芝開發(fā)出三柵極IGBT和柵極控制技術，采用從柵極驅動電路端靈活控制IGBT內部載流電子和空穴蓄積量的方式，從而大幅降低開關損耗。
此次開發(fā)的三柵極IGBT的特征：在同一芯片內具有3個柵極，即主柵極（以下簡稱“MG”）、第1控制柵極（以下簡稱“CGp”）和第2控制柵極（以下簡稱“CGs”），并且3個柵極采用獨立驅動方式。當柵極開通時，通過控制柵極使CGs相對于MG和CGp出現(xiàn)延遲，再實現(xiàn)MG、CGp和CGs三個柵極同時接通。其結果是讓大量的電子和空穴被高速注入并蓄積在IGBT中，從而縮短開關轉換時間，并降低開通損耗。
另一方面，在關斷時，讓CGs保持關斷狀態(tài)，讓CGp先于MG關斷，以減少元件內部的電子和空穴。通過上述方式，當MG關斷時（即：當IGBT完全關斷時），電子和空穴快速消失，從而降低關斷損耗。
通過三柵極IGBT與柵極控制技術的結合，與傳統(tǒng)IGBT相比，成功實現(xiàn)了開通損耗和關斷損耗分別降低50%和28%，整體開關損耗最多可降低40.5%。對于性能改善趨于極限的硅IGBT而言，該技術可顯著降低其功率損耗，從而為降低功率轉換器的功率損耗做出巨大貢獻。
圖1：三柵極IGBT和柵極控制信號
圖2：開關轉換電壓波形和降低開關損耗的效果
未來展望
東芝將繼續(xù)推進采用本技術的功率半導體以及柵極控制技術的研發(fā)工作，爭取早日實現(xiàn)該技術的商用化。東芝將致力于提高采用功率電子技術的各類產(chǎn)品性能，為實現(xiàn)碳中和做出貢獻。
*1 IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor的縮寫。在基極中加入了MOSFET的雙極性晶體管。
*2 開關由關斷轉換到導通時發(fā)生的功率損耗。
*3 開關由導通轉換到關斷時發(fā)生的功率損耗。
*4 原文請參考：https://www.global.toshiba/jp/technology/corporate/rdc/rd/topics/21/2106-01.html
